柴達(dá)木盆地南緣牛苦頭礦區(qū)孔隙水水源地的分布特征及潛力分析

蔣本文，李紅林

（中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650000）

1 工程概況

項(xiàng)目區(qū)屬青海省格爾木市烏圖美仁鄉(xiāng)轄區(qū)，位于柴達(dá)木盆地南緣的?？囝^礦區(qū)，處于格爾木市西北面。為研究就近取水的可行性，評價第四系孔隙潛水資源的分布及潛力，我中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司開展了該項(xiàng)目詳查階段相關(guān)的水文地質(zhì)勘查工作。

1.1 以往的水文地質(zhì)研究程度

本區(qū)水文地質(zhì)研究程度較低，僅有早期《烏圖美仁1：20 萬水文普查報(bào)告》中對區(qū)域地下水的賦存形式及補(bǔ)徑排特征進(jìn)行過簡單闡述。

1.2 本次勘查方法及完成情況

在水文地質(zhì)測繪的基礎(chǔ)上，在四角羊溝及?？囝^溝2 條山間溝谷中-下游位置，各施工了7 個水文地質(zhì)鉆孔，口徑Φ250mm，填礫并安裝Φ168mm 濾管，進(jìn)行了三次降深帶觀測孔的多孔抽水試驗(yàn)，以獲得Q-s、q-s 曲線以及滲透系數(shù)、影響半徑、給水度等水文地質(zhì)參數(shù)，通過模擬開采條件下進(jìn)行群孔抽水試驗(yàn)，計(jì)算了擬建水源地地下水的儲存量、排泄量，采用近似抽水試驗(yàn)法以及水均衡理論，對?？囝^礦區(qū)第四系孔隙潛水水源地的分布特征及潛力進(jìn)行系統(tǒng)的評價分析。

2 自然地理及地質(zhì)概況

2.1 氣象

項(xiàng)目區(qū)氣候具少雨、蒸發(fā)強(qiáng)烈的特點(diǎn)，屬于典型高原內(nèi)陸高寒干旱氣候。根據(jù)小灶火氣象站觀測資料，其多年平均降雨量為25.7mm，降水多集中在6 ～9 月份，約占年降水量的89%；多年平均蒸發(fā)量為2713mm，蒸發(fā)量是降水量的106 倍；月平均氣溫7 月份最高，一般為15.1°C ～18.7°C；月均最低氣溫出現(xiàn)在1 月份，一般為-9.1°C ～-13.4°C，最大凍結(jié)深度0.87m。

2.2 水文

勘查區(qū)內(nèi)水系不發(fā)育，四角羊溝、牛苦頭溝為勘查區(qū)鄰近的兩條主溝，屬干溝，相互獨(dú)立存在；僅在7-8 月份雨季時見間歇性流水，植被不發(fā)育；?？囝^溝長約16km，匯水面積約80km2。四角羊溝溝長約18km，匯水面積約98km2。4 月份以后，隨著溫度上升，中高山區(qū)的積雪開始融化，并在溝谷上游匯集形成暫時性地表徑流，一天之內(nèi)融雪水的流量變化范圍可達(dá)50-6000m3/d。6 ～9 月是降水量最集中的季節(jié)，牛苦頭溝陣雨形成洪流的洪峰流量可達(dá)6m3/s，洪水沿途滲漏，出山口數(shù)公里即全部滲失。

2.3 地形地貌

勘查區(qū)位于柴達(dá)木盆地南緣昆侖山支脈-祁漫塔格山麓，區(qū)域地面標(biāo)高3600m-5020m，相對高差達(dá)1420m，屬山地地貌，總體上南高北低。祁漫塔格山主山脈平均海拔4500m 以上，部分山體常年積雪；中低山區(qū)位于?？囝^溝、四角羊溝的中-下游地段的山體，海拔3500m～4000m，山體形態(tài)呈饅頭狀和環(huán)形，水源地?cái)M建地段為山間溝谷的下游地段，地形坡度相對較緩。

3 水文地質(zhì)條件

項(xiàng)目區(qū)地下水受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、氣象及水文等條件的制約。山間溝谷下游地段沉積了巨厚的新生界第四系全新統(tǒng)（Qhal+pl）沖洪積層砂礫石層，厚度0m～69m，透水性良好，為孔隙潛水的儲存提供了良好的空間，富水性強(qiáng)，為地下水的匯流徑流區(qū)區(qū)，水量大，下部為弱透水層的花崗巖及變質(zhì)巖，使得中下游第四系孔隙潛水不會垂向漏失；第四系孔隙潛水的補(bǔ)給來源主要依靠冰雪融化形成的地表水，通過在山間溝谷的垂直滲漏補(bǔ)給以及溝谷地下水徑流補(bǔ)給。

3.1 地下水的賦存條件及分布規(guī)律

構(gòu)造運(yùn)動的差異性使北部的沖洪積平原較南部祁漫塔格山區(qū)低1800m 以上，造成區(qū)內(nèi)氣候、地貌、巖性、水文地質(zhì)條件等具有明顯的分帶性，同時也決定了地下水的主要徑流方向及不同地帶的賦存特點(diǎn)和規(guī)律。

（1）南部海拔4500m 以上的高山區(qū)，常年有冰凍層，為凍結(jié)層水的賦存提供了賦存條件。

（2）山區(qū)風(fēng)化剝蝕的碎屑物質(zhì)被地表水帶入溝谷，在溝谷谷地中形成巨厚層狀沖洪積松散層，主要為砂卵礫石，顆粒較粗，孔隙度大，具有良好的貯水空間，為地下水的賦存提供了良好場所；接受溝谷季節(jié)性河流大量垂直滲漏補(bǔ)給，形成孔隙潛水含水層，其特點(diǎn)是含水層滲透系數(shù)、給水度大，埋藏較深，富水性強(qiáng)，主要分布于四角羊溝及?？囝^溝2 條山間溝谷下游地段。

四角羊溝主溝長約20.0km，?？囝^溝主溝長約16.0km，本次水源地的勘查區(qū)位于2 條山間溝谷下游，含水層為第四系沖洪積松散堆積層；其中四角羊溝溝谷內(nèi)堆積物厚度為0m ～53.0m，地下水位埋深約32.0m；?？囝^溝溝谷內(nèi)堆積物厚度為0m ～69.0m，擬建水源地地下水位埋深32.0m ～39.5m，地下孔隙潛水豐富，滲透系數(shù)一般5.5m/d～40m/d，為潛水水量豐富地段，也是水源地建設(shè)的最優(yōu)地段。

3.2 地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件

項(xiàng)目區(qū)地下水類型為第四系孔隙潛水，大氣降水及融雪水在山間溝谷中地表徑流的垂直滲漏是地下孔隙潛水主要補(bǔ)給來源，第四系孔隙潛水含水層巖性顆粒粗大，結(jié)構(gòu)松散，透水性強(qiáng)，地下水的徑流方向與溝谷的發(fā)育方向一致，地下孔隙潛水主要以潛流的形式向溝谷下游排泄。

4 地下水資源評價

4.1 地下水天然資源評價

4.1.1 水文地質(zhì)參數(shù)的確定

（1）滲透系數(shù)（K）的確定：管井揭穿第四系松散層潛水含水層，屬于完整井，選用主孔帶2 個觀測孔的三次降深抽水試驗(yàn)對滲透系數(shù)(K)進(jìn)行計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。計(jì)算公式：

式中：Q 為抽水試驗(yàn)時的出水量（m3/d）。H 為含水層的厚度（m），取值17.5 m。S1為距離抽水孔較近的觀測孔水位降深值（m），取值50m。S2為距離抽水孔較遠(yuǎn)的觀測孔水位降深值（m），取值70m。r1為抽水孔與較近觀測孔之間距離（m）。r2為抽水孔與較遠(yuǎn)觀測孔之間距離（m）。

經(jīng)計(jì)算得大降深至小降深抽水試驗(yàn)時的滲透系數(shù)分別為：63.23（m/d）、61.40（m/d）、65.76（m/d）；取平均值作為含水層的滲透系數(shù)，K(GCK1-1)=63.46（m/d）。同理求得?？囝^溝第四系沖洪積地層的滲透系數(shù)K（G07）=32.07m/d 。

（2）給水度（μ）的確定：采用適用于K=0 ～600m/d中細(xì)砂以粗地層的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算給水度（μ）值，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的給水度值與經(jīng)驗(yàn)值比較接近，但有些偏大，計(jì)算的地下水資源量會偏大。

計(jì)算得：四角羊溝水源地2-2′剖面處μ（四角羊溝）=0.211

?？囝^溝水源地G07 號井處μ（?？囝^溝）=0.192

（3）水力坡度（I）的確定：通過使用高精度測量儀器準(zhǔn)確測量了各孔的地表高程，結(jié)合統(tǒng)測的地下水埋深，換算出統(tǒng)一的靜止水位標(biāo)高；采用以下公式：

式中： I 為水力坡度；

ΔS為沿地下水徑流方向上兩點(diǎn)之間的水頭差

L 為沿地下水徑流方向上兩點(diǎn)之間的水平距離

經(jīng)計(jì)算可知：

（4）影響半徑（R）的確定：根據(jù)觀測孔的水位降深及相應(yīng)的計(jì)算公式綜合確定鉆孔的影響半徑。通過分析計(jì)算得出的影響半徑，得出四角羊溝擬建水源地影響半徑為300m，?？囝^溝擬建水源地影響半徑為500m。

4.1.2 地下水補(bǔ)給量

四角羊溝及?？囝^溝2 條山間溝谷水源地地下水的補(bǔ)給來源主要來自南部山區(qū)大氣降水及融雪水補(bǔ)給，由于工作區(qū)的氣象、水文資料較少，無法準(zhǔn)確核算大氣降雨對地下水的入滲補(bǔ)給量。

4.1.3 儲存量的計(jì)算

根據(jù)1：2.5 萬水文地質(zhì)測繪及水文地質(zhì)調(diào)查資料，牛苦頭溝G07 至G01 段溝谷地形平緩寬闊，為擬建水源地的主要儲水地段，該段以上溝谷寬度變得狹窄，地形坡降開始變大；根據(jù)牛苦頭溝在G07 處獲得的1 條水文地質(zhì)剖面、已有7 口水井資料獲得的沿溝谷發(fā)育方向的縱剖面、溝谷形態(tài)、水力坡度等資料可知，牛苦頭溝山間溝谷擬建水源地地下孔隙潛水的平均含水層厚度為13.1m，平均寬度150m，選取G07 至G01 段共2.5km 溝谷計(jì)算地下水儲存量。

根據(jù)地下水儲存量容積法計(jì)算公式：

式中：μ 為給水度，為經(jīng)驗(yàn)值，與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值較為接近。V的取值為各剖面橫斷面面積的平均值與該段溝谷長度的乘積。

4.1.4 排泄量的計(jì)算

牛苦頭溝山間溝谷3-3′剖面含水層厚度大，溝谷呈V 型，橫斷面面積為2111.8m2；按照達(dá)西滲透定律使用以下公式計(jì)算：

式中：Q 地下水徑流量（m3/d）。K 滲透系數(shù)（m/d）。I 水力坡度。B 計(jì)算斷面的寬度（m）。M 含水層厚度（m）。B 與M 的乘積為橫斷面面積（m2）。

經(jīng)計(jì)算可知：四角羊溝擬建水源地在下游2-2′處滲透系數(shù)取值31.93m/d；水力坡度為2.1%，橫斷面地下水排泄量為：Q2-2′排=2892.9m3/d。

?？囝^溝在3-3′剖面處滲透系數(shù)取值32.07m/d；水力坡度為2.2%，橫斷面地下水排泄量為Q 3-3′排=1490.0m3/d。

4.2 地下水允許開采量計(jì)算

（1）四角羊溝山間溝谷水源地。通過近似開采試驗(yàn)法對溝谷上游施工的兩個水文地質(zhì)勘查孔同時進(jìn)行抽水試驗(yàn)，當(dāng)開采總量為1600m3/d 時，經(jīng)過72 小時時間抽水試驗(yàn)可知，KT01 靜止水位為31.44m，穩(wěn)定水位36.3m，降深4.86m，穩(wěn)定出水量968.4m3/d；GCK1-1 靜止水位為31.09m，穩(wěn)定水位32.86m，降深1.77m，穩(wěn)定出水量628.8m3/d；停泵后，水位迅速回升，停泵后5 分鐘，KT01 鉆孔恢復(fù)水位剩余值為1.16m，GCK1-1 鉆孔恢復(fù)水位剩余值為0.74m，經(jīng)過48 小時后，水位基本恢復(fù)到原來水平，說明實(shí)際抽水量基本接近開采條件的補(bǔ)給量，可將抽水試驗(yàn)的抽水量近似為允許開采量，即Q允（四角羊溝）=1600 m3/d。

（2）牛苦頭溝山間溝谷水源地。通過開采試驗(yàn)法模擬未來開采方式對G07、G06 進(jìn)行了兩個主孔同時抽水試驗(yàn)，當(dāng)開采總量為1682m3/d 時，經(jīng)過72 小時抽水試驗(yàn)可知，G07 靜止水位為31.8m，穩(wěn)定水位41.72m，降深10.24m，穩(wěn)定出水量1054.0m3/d；G06 靜止水位為32.73m，穩(wěn)定水位35.49m，降深2.76m，穩(wěn)定出水量628.8m3/d；停泵后5 分鐘，水位迅速回升，此后水位恢復(fù)相對較慢。取用牛苦頭溝3-3′剖面處的地下孔隙潛水排泄量作為地下水允許開采量，即Q允（?？囝^溝）=1490.0m3/d。

小結(jié)：?？囝^礦區(qū)四角羊溝及?？囝^溝2 條山間溝谷中的地下水允許開采量Q允=3090m3/d。

5 結(jié)論和建議

（1）通過勘察工作，對四角羊溝及牛苦頭溝礦區(qū)水源地地下水采用近似抽水試驗(yàn)法，得出四角羊溝水源地地下水允許開采量Q允（四角羊溝）=1600.0m3/d；結(jié)合?？囝^溝3-3′水文地質(zhì)剖面處地下孔隙潛水的排泄量，得出牛苦頭溝地下水的允許開采量Q允（?？囝^溝）=1490.0 m3/d。

（2）由于勘查時使用近似抽水試驗(yàn)法的抽水時間較短，不能完全準(zhǔn)確模擬未來水源地在開采使用條件下的狀態(tài)，因此，在擬建水源地投入建設(shè)使用后，應(yīng)對地下水的開采量、靜止水位、動水位、降深、恢復(fù)水位等進(jìn)行詳細(xì)的記錄，以此對地下水資源的允許開采量進(jìn)行復(fù)核及調(diào)整。

（3）目前水源地已于2015 年建成并投入使用，到目前已使用了近5 年時間，根據(jù)投入使用的水源地各鉆孔的抽水記錄資料可知，前期的勘查資料非常準(zhǔn)確。